CC BY
88
УДК 621.311.25:621.039
ПРОГРЕССИВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРОДУВКИ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ АЭС С ВВЭР-1000
© 2010 г. А.Г. Жуков, Ю.Ю. Лукашов
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Выполнен анализ методов модернизации внутрикорпусных устройств и схем продувки парогенераторов (ПГ) АЭС. С учётом результатов теплохимических испытаний ПГ Волгодонской АЭС и нового метода периодической продувки сформулированы прогрессивные концепции оптимизации схем продувки ПГ АЭС с ВВЭР-1000.
Ключевые слова: модернизация; продувка; парогенератор; концепции.
The analysis of the modernization of internal devices and circuits venting steam (PG) plant. Based on the results of tests teplohimicheskih PG Volgodonsk nuclear power plant and a new method for periodic venting formulated the concept of progressive optimization schemes purge NG power plants with VVER-1000.
Keywords: modernization; blowdown; steam generator; the concept.
На отечественных АЭС с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР) эксплуатируются горизонтальные парогенераторы (ПГ), конструктивная концепция которых отличается от вертикальных ПГ, принятых на многих зарубежных АЭС [1]. Во многих публикациях неоднократно отмечались как положительные эксплуатационные качества горизонтальных ПГ, так и недостатки в организации гидродинамических процессов, протекающих в их пароводяном объёме [1 - 3]. Принятые ранее проектные решения выполнения внутрикорпусных устройств (ВКУ) имели основной недостаток, который заключался в неправильной раздаче питательной воды на стороне горячего коллектора и выборе координат вывода продувки [1 - 4]. В этих же работах предлагались и обоснованные решения по совершенствованию ВКУ ПГВ-1000. Тем не менее потребовалось около десяти лет, чтобы в процессе эксплуатации ПГВ-1000 на ряде АЭС была модернизирована система распределения питательной воды и сам принцип организации продувки [5, 6].
Суть модернизации по проекту авторов [5, 6] состояла в следующем. Со стороны горячего торца ПГ были установлены дополнительные раздающие коллекторы питательной воды, а часть коллекторов со стороны холодного торца была ликвидирована (рис. 1). Вывод непрерывной продувки организован из холодного торца ПГ, а все продувочные штуцера на нижней образующей корпуса ПГ были объединены в одну линию периодической продувки [5]. В результате в водяном объёме было создано направленное движение котловой воды от горячего торца ПГ к холодному. В этой же зоне над погруженным дырчатым листом (ПДЛ) и под ним была установлена поперечная перегородка, ограничивающая переток относительно чистой воды в холодный торец к месту вывода непрерывной продувки [5].
Рис. 1. Относительная концентрация растворённых примесей в 1ПГ-2 Волгодонской АЭС при отключенной периодической продувке. Числа без рамок - данные ОКБ «Гидропресс»; в рамках - данные, полученные в результате комплексных ТХИ; 1 - 10 - пробоотборники № 1 - 10
В отличие от других АЭС, где реконструкция ВКУ выполнялась длительно и в процессе их эксплуатации, на Волгодонской АЭС весь объём работ по модернизации ВКУ был проведён комплексно, до ввода ПГ в работу и с учётом практически всех инноваций в данном вопросе [7].
Таким образом, к 2001 г. в горизонтальных ПГ АЭС впервые был организован «солевой» отсек и осуществлён принцип ступенчатого испарения, который ранее применялся в тепловой энергетике. В результате такой модернизации солесодержание котловой воды в зоне максимальной тепловой нагрузки (горячий торец) снизилось более чем в 40 раз, а на стороне холодного - в 2,0 - 2,5 раза по сравнению с проектным вариантом ВКУ и системы продувки [5 - 7].
Анализ публикаций показывает, что методами, описанными в [1 - 7], возможности модернизации ВКУ далеко не исчерпаны. Так, уже в 2008 г. на Волгодонской АЭС разработаны и внедрены принципы дальнейшей реконструкции ВКУ. В частности, дополнительные коллекторы, раздающие питательную воду, расположены в «горячем» торце ПГ, но не над погруженным дырчатым листом (ПДЛ), как в работе [5], а под ним. Десятый раздающий коллектор направлен на горячую половину ПГ и также размещён под ПДЛ. Кроме того, с целью упорядочения гидродинамических процессов в ПГ, установлены дополнительные перегородки: первая - между «холодной» закраиной и корпусом ПГ в районе «холодного» торца; вторая -между «горячей» закраиной и корпусом ПГ в районе «горячего» торца ПГ; третья - у закраины на «горячей» стороне со стороны «холодного» днища ПГ. Вертикальная перегородка, предназначенная для формирования «солевого» отсека и препятствующая сливу воды с ПДЛ, перемещена ближе к «холодному» днищу ПГ, т.е. к месту вывода непрерывной продувки.
Результаты испытаний ПГ в процессе пуска энергоблока Волгодонской АЭС после ППР-2008 показали, что модернизация ВКУ привела к существенному улучшению локальной гидродинамики водяного объёма ПГ и к ещё большему смещению максимума относительной концентрации примесей к штуцеру вывода непрерывной продувки. Так, в ближайших к штуцеру точках контроля относительные концентрации примесей составили 140,4 и 123,6 % (до модернизации ВКУ 108 и 120 % соответственно). Такое устойчивое формирование повышенного содержания растворённых примесей в зоне солевого отсека подтверждает эффективность модернизации ВКУ ПГ.
Таким образом, реализованный к настоящему времени на горизонтальных ПГ большинства АЭС России основополагающий принцип ступенчатого испарения с реконструированными ВКУ, представляет собой устоявшуюся систему взглядов на тенденцию оптимизации ВКУ и является главной концепцией совершенствования гидродинамических водно-химических режимов ПГВ-1000, управляемых методами организации продувки и распределения питательной воды в объёме ПГ.
Однако из анализа работ [1 - 9], проведенного авторами данной статьи, становится очевидным, что данная концепция не является единственной и идеальной и она может быть усовершенствована. Так на Волгодонской АЭС специалисты сосредоточились на модернизации внешней технологической схемы продувки. Ещё на этапе формирования технического задания этой схемы, которая была выбрана с учётом опыта эксплуатации ПГВ-1000 на других АЭС, в её структуру А.Г. Жуковым с соавторами [7, 11] был внесён ряд существенных изменений. Было предложено:
1. На всех линиях продувки вместо дроссельных устройств установить запорно-регулирующие клапаны (ЗРК), которые имеют линейные расходные характеристики и позволяют в широких пределах регулировать распределение расходов продувочной воды как
между непрерывной и периодической продувками, так и между ПГ.
2. Реконструировать дренажный штуцер Ду 80 на нижней образующей корпуса (НОК) ПГ, преобразовав его в Ду 100, и, снабдив его дополнительной линией продувки, использовать как продувочный в новой схеме.
3. Все линии периодической продувки разделить отсечной арматурой, что позволит выполнять периодическую продувку раздельно из нижних точек ПГ, исключить байпасирование отдельных линий (которое имеет место при использовании единого коллектора периодической продувки на других АЭС) и решить проблему их «закупоривания» шламом из «карманов» коллекторов ПГ.
4. С целью повышения точности измерения расхода продувочной воды на линиях непрерывной и периодической продувок установить новый расходомер [10], отличающийся тем, что перед входным патрубком дополнительно размещён входной конфузор, а корпус установлен в цилиндрической втулке с образованием кольцевого периферийного канала, минимальное проходное сечение которого в 0,5^2,5 раза больше площади входного сечения упомянутого входного конфузора.
5. Для вывода непрерывной продувки из солевого отсека смонтировать новый штуцер Ду 80 (вместо двух - четырёх штатных Ду 20, установленных на других АЭС), что позволит существенно увеличить расход непрерывной продувки.
Все эти предложения были воплощены в действующей в настоящее время схеме (рис. 2).
Технологичность и гибкость её подтвердились буквально при первых испытаниях. Она позволила исследовать различные режимы продувки и выявить наиболее оптимальный. Некоторые наиболее важные результаты испытаний следующие:
1. Установлено, что расход непрерывной продувки из солевого отсека при 100 % мощности блока и при наличии присосов сырой воды из конденсатора турбины должен быть не менее 7,5 т/ч. При меньших расходах ухудшаются практически все показатели качества котловой воды.
2. Методом изменения расхода непрерывной продувки из солевого отсека схема позволяет корректировать ВХР и при пуске энергоблока, и при изменениях его нагрузки. Для сравнения: схема, применённая на Балаковской АЭС, не позволяет увеличить расход непрерывной продувки более 6 т/ч, так как использует для этого не ЗРК с гибкими расходными характеристиками, а четыре штуцера Ду 20 с ограниченной пропускной способностью.
3. Использование ЗРК на линиях прогрева периодической продувки позволяет уменьшить расход продувочной воды и перераспределить его в сторону «более полезной» постоянной продувки. Так, если регламентный расход по линиям прогрева составляет 2,5 т/ч, то в процессе наладки можно ограничиться 1^1,5 т/ч. Если вместо ЗРК использовать даже точно подобранные дроссельные шайбы, то при малых расходах неизбежно их засорение продуктами коррозии.
4. Организация отбора периодической продувки из нижних штуцеров ПГ для вывода растворённых примесей не эффективна. Такой режим должен использоваться для вывода тяжёлых фракций шлама и продуктов коррозии железа и меди. Периодическая продувка эффективна первые 15^20 мин после подключения (концентрация железа в воде резко снижается), при её продлении концентрация железа практически не меняется. Следовательно, общепринятый алгоритм по периодической продувке ПГ циклами один - два часа на парогенератор при круглосуточной его работе не обоснован. Испытания показали, что объём периодической продувки целесообразно сократить, а непрерывную продувку - увеличить.
ОгПГ^-
1
IX!
- 2
На охладители дренажа
Щ-3 й-4 Л- 5
Рис. 2. Принципиальная схема продувки ПГ Волгодонской АЭС. Запорные клапаны: 1 - нормально закрытый; 2 - нормально открытый; 3 - с пневмоприводом; 4 - с электроприводом; 5 - запорно-регулирующий
Эффективность работы модернизированной технологической схемы продувки 1ПГ-2 Волгодонской АЭС подтверждена неоднократными комплексными теплохимическими испытаниями (ТХИ) [11]. Методы совершенствования, заложенные в схеме Волгодонской АЭС, успешно внедряются и на других АЭС, а их эффективность подтверждается сравнительными ТХИ Калининской, Балаковской и Волгодонской АЭС [12].
Таким образом тенденция оптимизации внешней технологической продувочной системы ПГ АЭС с ВВЭР-1000 [11] по испытанным на практике и устоявшимся принципам представляет собой вторую основополагающую концепцию оптимизации ВХР ПГВ.
Проведённые неоднократные теплохимические исследования ПГ АЭС с ВВЭР-1000 Волгодонской, других АЭС [7, 9, 11, 12] и обработка их результатов позволили разработать новый подход к организации водного режима ПГ. При этом на первое место поставлены не только конструктивные, но и новые ре-жимно-технологические методы. В частности, было предложено [13] методом интенсивного «залпового» воздействия на застойные зоны в водяном объёме ПГ путём включения периодической продувки с максимальным расходом управлять распределением примесей и эффективно их удалять через штуцер Ду 100 в системе периодической продувки.
Известно, что при останове ПГ нерастворимые примеси (оксиды металлов) осаждаются со значительным накоплением под зонами котловой воды, в которых наблюдаются наибольшие их концентрации при номинальной работе ПГ: на пучках теплообменных труб, в пространстве под ними у НОК, в застойных зонах. При повторном пуске ПГ безусловно не все осаждённые примеси возобновляют своё движение с потоками воды. Поэтому предлагается новый метод для вывода нерастворимых примесей из ПГ, который использует режим его останова в соответствии с регламентом эксплуатации блока АЭС.
Реализация нового метода, разработанного и запатентованного А.Г. Жуковым с соавторами [13] осуществляется, в основном, посредством главного циркуляционного насоса (ГЦН), обеспечивающего циркуляцию теплоносителя по трубам горизонтального теплообменного пучка (трубчатки) при номинальной работе ПГ. При этом рабочее тело - питательная вода -подводится и распределяется по модернизированной системе коллекторов (рис. 1), а непрерывная и периодическая продувки работают по своему регламенту (рис. 2). Принципиально данный способ отличается от иных тем, что производят только периодическую продувку и только при отключённом ГЦН одного из четырех ПГ блоков, а продувочную воду в это время отводят с максимальным для блока расходом по линиям продувки через штуцер Ду 100, расположенный в нижней части корпуса ПГ под зоной с наибольшей паропроизводительностью (горячий коллектор) и через четыре штуцера Ду 25 из карманов холодного и горячего коллекторов именно в период прекращения циркуляции теплоносителя по трубчатке. В этом случае периодическая продувка не подменяет собой непрерывную продувку, а обеспечивает удаление выпавших в осадок нерастворимых примесей. По штатному регламенту для ПГВ-1000 периодическая продувка включается всего на 2 ч, а по новому способу её производят в течение 2 - 5 ч [13]. Предварительные испытания данного способа показали существенное повышение эффективности периодической продувки в сравнении со штатным регламентом (рис. 3).
к
<0 к
tс
s в
Я О W и
Ü т
о
300 250 200 150 100 50 0
ГЦН в работе
Периодическая продувка ПГ открыта через Ду 100 и «карманы» коллекторов
ГЦН выведен из работы
t
7:00 7:20 7:40 8:00 8:20 8:40 9:00 9:20 9:40 10:00 10:20 10:40 т, время
Рис. 3. Изменение концентрации железа в периодической продувке ПГ № 2 энергоблока № 1 Ростовской АЭС
Кроме того, повысилась технологичность режима (сократилось количество переключений арматуры в единицу времени, до минимума сведено использование технических средств, упростились возможности автоматизации процесса и др.); увеличилась масса продуктов коррозии, выносимых с водой; сократилось расхождение концентраций железа в пробах штатного пробоотбора и перед спецводоочисткой СВО-5. Это весьма важные факторы, определяющие скорость образования отложений на трубчатке и промежуток времени, в течение которого их интенсивность достигает предельного значения, когда требуется химическая промывка ПГ.
Очевидно, что новый способ не лишён недостатков, но их значимость может быть оценена лишь в процессе дальнейших испытаний. Однако неординарность и эффективность этого способа позволяет интерпретировать его как третью концепцию оптимизации всей продувочной системы ПГВ-1000.
Сформулированные в данной работе прогрессивные концепции организации водного режима ПГВ-1000 указывают на имеющиеся существенные резервы улучшения чистоты пара, уменьшения поступления примесей к теплообменным пучкам трубчатки и, как следствие, на повышение надёжности работы парогенераторов АЭС с ВВЭР-1000.
Литература
1. Трунов Н.Б., Логвинов С.А., Драгунов Ю.Г. Гидродинамические и теплохимические процессы в парогенераторах АЭС с ВВЭР. М., 2001. С.318.
2. Исследование гидродинамики парогенератора ПГВ-1000/ А.Г. Агеев [и др.] // Электрические станции. 1987. № 6. С. 19 - 23.
3. Сиряпина Л.А., Маргулова Т.Х. Повышение эффективности продувки парогенераторов АЭС с ВВЭР// Теплоэнергетика. 1984. № 2. С. 59 - 60.
4. Маргулова Т.Х., Зорин В.М., Горбунов В.И. Совершенствование внутрикорпусных устройств парогенератора ПГВ-1000// Теплоэнергетика. 1988. № 11. С. 43 - 47.
5. Исследование распределения солей в водяном объёме парогенератора ПГВ-1000 с модернизированными системами раздачи питательной воды и продувки / Ю.В. Козлов [и др.] // Электрические станции. 1991. № 9. С. 30 - 32.
6. Модернизация систем водопитания и продувки парогенераторов ПГВ-1000 / Е.П. Свистунов [и др.] // Энергетика и электрификация. Сер. Атомные электростанции. Отечественный производственный опыт. 1991. Вып. 6. С. 8 - 13.
7. Петров А.Ю., Жуков А.Г. Модернизация парогенераторов энергоблока № 1 Волгодонской АЭС / Материалы 21 заседания междунар. рабочей группы по модернизации АЭС (РГМ АЭС). Волгодонск, 2002. С. 1 - 14.
8. Зорин В.М., Горбунов В.И. Об организации водного режима в паропроизводящих установках // Теплоэнергетика. 2000. №6. С. 41 - 45.
9. Выбор и оптимизация режима продувки парогенераторов Калининской АЭС / С.В. Щелик., Н.Б. Шестаков, И.Н. Богомолов // Сб. тр. ФГУП ОКБ «Гидропресс». 2006. 3 -5 октября, г. Подольск. Подольск, 2006. С. 37 - 45.
10. Патент на изобретение № 2239161. Расходомер / И.О. Будько, В.И. Горбунов, Ю.Ф. Кутдюсов, Н.Б. Трунов,
A.Ю. Петров, А.А. Сальников, А.Г. Жуков [и др.]. М., 2004.
11. Результаты комплексных теплохимических испытаний парогенератора № 2 энергоблока №1 Волгодонской АЭС /
B.И. Горбунов [и др.] // Теплоэнергетика. 2006. № 9. С. 10 - 15.
12. Теплохимические испытания парогенератора энергоблока № 3 Калининской АЭС / Н.Н. Давиденко [и др.] // Теплоэнергетика. 2007. № 12. С. 37 - 46.
13. Патент на изобретение № 2250411. Способ работы парогенератора блока атомной элетростанции / О.И. Будько, В.И. Горбунов, Ю.Ф. Кутдюсов, Н.Б. Трунов, А.Ю. Петров, А.А. Сальников, А.Г. Жуков. М., 2005.
Поступила в редакцию
5 октября 2009 г.
Жуков Алексей Геннадиевич - соискатель, кафедра ТЭС, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), заместитель главного инженера Волгодонской атомной станции.
Лукашов Юрий Юрьевич - студент, Ростовский государственный строительный университет. E-mail: G-R-13 @yandex.ru
Zhukov Alexey Gennadievich - applicant, department TPP, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Deputy Chief Engineer Volgodonsk Nuclear Power Plant.
Lukashov Yuri Yurievich - student, Rostov State Building University. E-mail: G-R-13@yandex.ru
